氢气是一种广为人知的清洁燃料，然而作为超轻质气体，让氢气液化需要700个大气压，或者在接近绝对零度的状态下低温冷却，这使得氢气难以运输和处理，氢能源也随之价格昂贵。 氨气（NH3）或许是一种比氢气本身更好的氢载体：它的每一个氮原子都结合三个氢原子，能够存储大量能量；液氨虽然在高浓度下具有腐蚀性，但它在大气温度和压力下是一种稳定的液体，易于运输，在许多行业都有广泛使用。 然而，想要从氨中获取氢，并将无害的氮释放回大气中，也并不容易。首先，氨裂解反应是吸热的，大多数情况下需要在6501000C的温度下的大型设施中进行，产生大量碳排放；其次，裂解操作所需的热催化剂通常是铂族金属，如钌，往往稀有且昂贵。 近日，莱斯大学团队仅使用廉价、高丰度的铜、铁材料，开发了一种优良的光催化剂，只需要光照的能量就可以在室温下将氨转化为清洁的氢燃料，与昂贵的热催化剂同样有效。该研究发表在《科学》杂志上，共同第一作者为两位中国科学家。 论文截图参考文献〔1〕当热驱动时，铁这类金属对于氨裂解的反应性远低于钌，因为FeN键非常强，以至于产物吸附后不易解吸。而这项工作表明，只需廉价的LED光源，它们就可以成为高效的等离子体光催化剂，有效地进行光催化。 这一发现为可持续的、低成本的产氢铺平了道路，只需要LED光源和小型设备，无需在大规模的集中式工厂中生产。通讯作者之一的PeterNordlander说。 对于同一种金属材料，吸收光的能力和催化能力往往不可得兼。继2011年发现可释放短寿命、高能电子（称为热载流子）的等离子体粒子之后，该团队在2016年发现，热载流子发生器可以与金属纳米粒子催化剂结合，产生混合天线反应堆：将金、银、铝等金属作为光子天线，从光中获取能量，增加催化剂吸收光的能力；而钯、铂、铑等金属纳米粒子则作为催化剂，精确驱动化学反应。 （左）等离子体天线通过局部近场增强与催化反应器金属纳米粒子耦合（右）莱斯大学的天线反应堆等离子体催化剂：将光捕获纳米材料与高效金属催化剂相结合。此图中，反应性钯的岛点缀在铝晶体的氧化铝表面，铝晶体被用作光子天线来捕获光并激活催化岛参考文献〔1〕经过适当调整，这些天线反应堆粒子就能从环境光（无论是阳光还是低能耗LED的光）中吸收能量，即使在环境温度下也能进行有效的化学反应。该团队多年来一直致力于为天线反应堆的光能收集和反应加速部分寻找非贵金属作为替代品，这项新研究即为这一系列工作的结晶。 由铜和铁制成的天线反应堆颗粒在催化氨裂解方面非常高效。在没有光的情况下，铜铁催化剂的反应活性比铜钌催化剂低约300倍，这并不奇怪，因为钌是该反应的更好的热催化剂。共同通讯作者Robatjazi说，而在光照条件下，铜铁显示出与铜钌相似且相当的效率和反应性。 这是科学文献中首次报道LED光催化可以从氨中产生克级量的氢气。另一位通讯作者Halas说，这打开了一扇大门，此后能使用高丰度低价格金属完全取代等离子体光催化中的贵金属。 鉴于它们在显著减少化工产业碳排放方面的潜力，等离子体天线反应堆光催化剂值得进一步研究。共同通讯作者Carter补充道，非贵金属的其他组合很可能在许多其他化学反应中成为具有成本效益的催化剂。 SyzygyPlasmonics的反应池（左）和光催化平台（右），用于铜铁等离子体光催化剂的氨制氢测试。催化作用的所有反应能量都来自光波长为470nm的LED参考文献〔2〕 参考文献 〔1〕Yuan，Yigao，etal。EarthabundantphotocatalystforH2generationfromNH3withlightemittingdiodeillumination。Science378。6622（2022）：889893。 〔2〕https：news。rice。edunews2022ricelabscatalystcouldbekeyhydrogeneconomy 〔3〕https：newatlas。comenergylightcatalystammoniarice 〔4〕https：news2。rice。edu20160718ricesantennareactorcatalystsofferbestofbothworlds 〔5〕Swearer，DayneF。，etal。Heterometallicantennareactorcomplexesforphotocatalysis。Proc。Natl。Acad。Sci。113。32（2016）：89168920。 编译：竹子 编辑：靳小明 排版：尹宁流 题图来源：参考文献〔2〕 研究团队 （共同）通讯作者HosseinRobatjazi：莱斯大学化学系；EmilyA。Carter：加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系；PeterNordlander：莱斯大学电气与计算机工程系；NaomiJ。Halas：莱斯大学化学系 （共同）第一作者袁义高：莱斯大学化学系；周礼楠：华南理工大学化学与化工学院自旋科技研究院教授 论文信息 发布期刊Science 发布时间2022年11月24日 论文标题EarthabundantphotocatalystforH2generationfromNH3withlightemittingdiodeillumination （DOI：https：doi。org10。1126science。abn5636） 未来光锥是果壳发起的科创品牌，全面服务科学家的科技创新，为科学家创业提供从公司注册知识产权，到融资需求、团队组建等不同阶段的方案建议，加速科技成果从实验室到市场的转化。 果壳团队有着长达13年为科学家服务的经验，我们始终站在科学家的视角出谋划策，做科创者的好朋友。如果您正打算创办一家科技企业，无论是找钱、找人、找资源，还是找订单，都欢迎与未来光锥团队聊聊。您可发送bp或其他项目资料到wlgzguokr。com，留下联系方式，或添加果壳硬科技企业微信私信沟通。
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